[论文解读] Testing the Universality of Free Fall at ${10^{ - 10}}$ level by Comparing the Atoms in Different Hyperfine States with Bragg Diffraction

Ke Zhang, Min-Kang Zhou+7 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

本研究利用布喇格原子干涉仪对处于不同超精细态（F=1, m_F=0 与 F=2, m_F=0）的 $^{87}$Rb 原子，在 $10^{-10}$ 水平上检验了自由落体的普遍性（UFF）。通过利用共同模式误差抑制技术比较这些自旋简并态的引力加速度，实验实现了新的精度纪录，结果为 $η = (0.9 \pm 2.7) \times 10^{-10}$，以高精度证实了 UFF，并对自旋-引力耦合机制施加了约束。

ABSTRACT

We have performed a precision atomic interferometry experiment on testing the universality of free fall (UFF) considering atoms' spin degree of freedom. Our experiment employs the Bragg atom interferometer with $^{87}$Rb atoms either in hyperfine state $\left| {F = 1,{m_F} = 0} ight angle $ or $\left| {F = 2,{m_F} = 0} ight angle $, and the wave packets in these two states are diffracted in one pair of Bragg beams alternatively, which can help suppress the common-mode systematic errors. We have obtained an E$ m{\ddot{o}}$tv$ m{\ddot{o}}$s ratio $η= \left( { 0.9 \pm 2.7} ight) imes {10^{ - 10}}$, and set a new record on the precision with a nearly 5 times improvement. Our experiment gives stronger restrictions on the possible UFF breaking mechanism.

研究动机与目标

• 在更高精度下检验处于不同超精细态的 $^{87}$Rb 原子之间自由落体普遍性（UFF）的成立性。
• 探究垂直于重力方向的自旋投影是否可能破坏 UFF，以解决自旋-引力耦合领域中的一个开放性问题。
• 通过为两个干涉仪使用相同的布喇格光束，实现共同模式系统误差的抑制。
• 为通过自旋自由度介导的可能违反 UFF 的相互作用设定新的实验上限。
• 展示一种状态标记的布喇格干涉仪作为高精度量子引力检验平台的潜力。

提出的方法

• 实验采用布喇格原子干涉仪，将 $^{87}$Rb 原子制备在 $F=1, m_F=0$ 和 $F=2, m_F=0$ 超精细态，利用同一组布喇格光束实现衍射。
• 通过测量干涉相位 $\phi_{F=1}$ 和 $\phi_{F=2}$，分别确定引力加速度 $g_{F=1}$ 和 $g_{F=2}$。
• 从相位差 $\phi_{F=1} - \phi_{F=2}$ 提取微分加速度 $\Delta g = g_{F=1} - g_{F=2}$，其中 E\dots

实验结果

研究问题

• RQ1 对于超精细态不同但 $m_F=0$ 相同的 $^{87}$Rb 原子，自由落体普遍性是否仍然成立？
• RQ2 如广义相对论某些拓展理论所建议，垂直于重力方向的自旋投影是否可能破坏自由落体普遍性？
• RQ3 在哈密顿量 $V_\perp(z) = \tilde{k}|F_\perp|^2 mgz$ 中，自旋依赖的 UFF 破坏耦合项 $\tilde{k}$ 的上限是多少？
• RQ4 在使用相同布喇格光束的双干涉仪设置中，共同模式系统误差的抑制效果如何？
• RQ5 利用 $^{87}$Rb 的状态标记布喇格干涉仪，测试 UFF 的可实现精度是多少？

主要发现

• E\